麥東強(qiáng)

摘? 要：測量水平運(yùn)動物體所受的滑動摩擦力是初中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。利用"數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室"（DISlab朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）對物體在水平面上滑動時(shí)所受的摩擦力進(jìn)行測量，并利用傳感器將滑動摩擦力的大小以數(shù)字和圖像的形式呈現(xiàn)，能使學(xué)生更直觀的看到滑動摩擦力的大小和變化。通過該實(shí)驗(yàn)精確測量，使學(xué)生更好的理解和掌握測量滑動摩擦力的兩種方法。

關(guān)鍵詞：滑動摩擦力;初中;DISLab;傳感器

1.背景

滑動摩擦力是一種比較常見的力。拉動一個(gè)木塊在水平的金屬板上滑動時(shí)，木塊由于地球的吸引受到豎直向下的重力的作用，放在金屬板上時(shí)，使得與它接觸的金屬板發(fā)生形變，金屬板對木塊產(chǎn)生豎直向上的支持力。兩物體接觸面是粗糙的，木塊滑動時(shí)，相對金屬板運(yùn)動了，木塊受到了金屬板施加的滑動摩擦力。

測量水平運(yùn)動物體所受的滑動摩擦力是初中學(xué)生必做的二十個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一。人教版（2012）提供的測量方法是利用彈簧測力計(jì)水平勻速拉動木塊。通過彈簧測力計(jì)的讀數(shù)測量木塊受到的滑動摩擦力。這種方法學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中會出現(xiàn)的問題是比較難控制勻速拉動木塊，容易出現(xiàn)忽快忽慢的拉動情況，導(dǎo)致示數(shù)發(fā)生變化，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。且在一邊勻速拉的過程中，一邊讀數(shù)比較麻煩，誤差也較大。因此，該實(shí)驗(yàn)經(jīng)常出現(xiàn)的問題是學(xué)生測量結(jié)果不準(zhǔn)確甚至不能得到正確的結(jié)論。

下面我們通過受力分析解析該實(shí)驗(yàn)原理并嘗試用DISlab朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)。

2.測量滑動摩擦力的方法1

我們來分析一下教材提供的方法測量木塊受到的滑動摩擦力時(shí)的受力情況。如左圖所示。通過之前的分析，我們知道豎直方向，它受到重力和支持力，這兩個(gè)力大小相等，方向相反。水平方向上，它受到拉力和滑動摩擦力，如果要拉力和滑動摩擦力大小相等，方向相反。那么木塊在水平方向上要靜止或做勻速直線運(yùn)動。所以，木塊在水平方向上勻速直線運(yùn)動時(shí)，我們用測力計(jì)測量拉力的大小就可以知道滑動摩擦力的大小了。

這種方法的測量依據(jù)是：木塊做水平勻速直線運(yùn)動時(shí)，水平方向受到的拉力和滑動摩擦力大小相等。

用手拉動時(shí)，怎么判斷木塊是否在做勻速直線運(yùn)動呢？根據(jù)勻速直線運(yùn)動的定義，物體沿著直線且速度不變的運(yùn)動，叫做勻速直線運(yùn)動。如果我們通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)木塊運(yùn)動的路程隨時(shí)間變化的圖線是一條傾斜的直線，那就說明路程和時(shí)間的比值不變，這個(gè)比值就是速度，所以木塊的速度不變，也就是它在做勻速直線運(yùn)動。

利用DISlab朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一對傳感器可以幫助我們監(jiān)測物體運(yùn)動的狀態(tài)。我們將其中的一個(gè)固定在桌面，另一個(gè)放置在木塊上隨木塊一起運(yùn)動。它們工作時(shí)可以通過計(jì)算機(jī)顯示一個(gè)反映出路程與時(shí)間的關(guān)系圖像。如果圖線是與橫坐標(biāo)平行的，代表物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，如果圖線是一條傾斜的直線，代表物體在做勻速直線運(yùn)動。如果不是一條傾斜的直線，代表物體沒有在做勻速直線運(yùn)動。

用電動機(jī)可以帶動木塊做勻速直線運(yùn)動。如上圖是一種電動機(jī)牽引裝置。電動機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)帶動一根金屬螺紋桿轉(zhuǎn)動，螺紋桿上的滑塊會水平運(yùn)動，再用繩子帶動木塊水平運(yùn)動。

我們用電動機(jī)水平拉動木塊在金屬板上滑動，用拉力傳感器測量木塊受到的滑動摩擦力。

通過觀察拉力的讀數(shù)和木塊運(yùn)動的路程隨時(shí)間變化的圖像。發(fā)現(xiàn)利用電動機(jī)確實(shí)可以帶動木塊做勻速直線運(yùn)動。這時(shí)木塊水平方向受到的拉力和摩擦力大小相等。所以木塊受到的滑動摩擦力也是0.3N。利用和硬件搭配的DISlab朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以將拉力的讀數(shù)和物體運(yùn)動的路程隨時(shí)間變化的圖像通過電腦屏幕同時(shí)呈現(xiàn)。

利用這種方法，我們拉動木塊做水平勻速直線運(yùn)動時(shí)，才可以測量木塊受到的滑動摩擦力。

根據(jù)分析，當(dāng)木塊靜止放置在金屬板上時(shí)，如果將木塊固定，然后用彈簧測力計(jì)水平拉動金屬板也可以測量滑動摩擦力。因?yàn)槟緣K是處于靜止?fàn)顟B(tài)，水平方向受力平衡，因此不用勻速拉動木塊。下面我們分析一下這種方法。

3.測量滑動摩擦力的方法2

將金屬板放在水平地面上，將一木塊通過彈簧測力計(jì)固定。如上圖。根據(jù)之前的分析，木塊受到支持力，它和金屬板之間相互擠壓，而且接觸面都是粗糙的。向右拉動金屬板時(shí)，我們看到，雖然木塊相對桌面是靜止的，但是它在金屬板的位置發(fā)生了變化，所以木塊相對于金屬板是運(yùn)動的，所以，它會受到金屬板對它施加的滑動摩擦力。

通過之前的分析，我們知道豎直方向，它受到重力和支持力，這兩個(gè)力大小相等，方向相反。水平方向上，它受到拉力和滑動摩擦力，如果要拉力和滑動摩擦力大小相等，方向相反。那么木塊在水平方向上要靜止或做勻速直線運(yùn)動。所以，木塊靜止時(shí)，我們用測力計(jì)測量拉力的大小就可以知道滑動摩擦力的大小了。

所以這種方法，是利用木塊靜止時(shí)，水平方向受到的拉力和滑動摩擦力大小相等的原理來測量的。

4.測量滑動摩擦力的兩種方法總結(jié)

我們將第1種方法和第2種方法測得的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩次測量的結(jié)果也是相同的。

總結(jié)對比發(fā)現(xiàn)，這兩種測量滑動摩擦力的方法都是使木塊處于平衡狀態(tài)，水平方向受到的拉力和滑動摩擦力大小相等，方向相反。所以用彈簧測力計(jì)測出拉力的大小就能得到滑動摩擦力的大小。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：廣州市南國學(xué)校，廣東? ?廣州? ?510000）